最近，科學(xué)家成功將激光聚焦到十億倍太陽(yáng)表面光強的強度，并實(shí)現其與高能電子的精密對撞，驗證了電動(dòng)力學(xué)近百年從未被驗證的關(guān)鍵理論：高階多光子湯姆遜散射理論。該結果將為停留在理論階段的量子電動(dòng)力學(xué)理論體系打開(kāi)實(shí)驗的大門(mén)。實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生了極高能的定向伽馬射線(xiàn)，可用于產(chǎn)生高能高亮光源；該過(guò)程還有望在實(shí)驗室產(chǎn)生阿秒量級的伽馬暴，開(kāi)啟阿秒尺度核物理、實(shí)驗室高能天體物理等全新的研究領(lǐng)域。

在美國內布拉斯加大學(xué)林肯分校極端強光實(shí)驗室，科學(xué)家正在進(jìn)行世界上最強的激光與高能電子的散射實(shí)驗。（圖片來(lái)源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）

6月26日，美國內布拉斯加大學(xué)林肯分校與上海交通大學(xué)合作在《自然·光子學(xué)》上發(fā)表的一篇研究型論文稱(chēng)，通過(guò)將超強超快激光聚焦，科研人員得到了峰值強度比太陽(yáng)表面強度高出十億倍的極強光場(chǎng)環(huán)境。他們發(fā)現，在如此之強的激光下，近光速運動(dòng)的電子有可能一次性將上千個(gè)光子“同時(shí)”吸收，然后“合并”成一個(gè)高能光子發(fā)射，科學(xué)上稱(chēng)之為“高階多光子湯姆遜散射”。該理論是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的著(zhù)名理論之一，早在十九世紀初就被提出，但是由于實(shí)驗條件的限制，直到最近超快超強激光技術(shù)的發(fā)展才讓該理論的實(shí)驗驗證成為可能。雖然《自然·光子學(xué)》報道的最新實(shí)驗的激光強度已經(jīng)很高，但如果激光強度繼續增加，經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)理論將不再適用，取而代之的是量子電動(dòng)力學(xué)。該理論顯示在激光強到千萬(wàn)億倍太陽(yáng)光強的時(shí)候，激光會(huì )在絕對真空當中產(chǎn)生正負電子對，也就是實(shí)現愛(ài)因斯坦的終極理論質(zhì)能轉化E=mc2。該實(shí)驗結果就是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論向量子電動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展中的重要實(shí)驗驗證。

該實(shí)驗在美國內布拉斯加大學(xué)林肯分校的極端強光實(shí)驗室迪奧克萊斯（Extreme Light Labortaory, Diocles laser）激光裝置上實(shí)現。該激光裝置是目前世界上最先進(jìn)的超強超快激光裝置之一，設計脈沖寬度為27飛秒（相當于光速穿過(guò)頭發(fā)絲直徑的十分之一時(shí)間），峰值功率達到一拍瓦（一拍瓦合1萬(wàn)億千瓦。作為對比，我國2016年平均每月全國總用電量約為4千億千瓦時(shí)）。

該實(shí)驗具有極高的挑戰性，對時(shí)空精度要求極度苛刻。為了實(shí)現電子與光子的對撞散射，首先要將迪奧克萊斯激光分成兩束，其中一束激光脈沖用來(lái)產(chǎn)生相對論速度運動(dòng)的高能電子，也就是激光尾波電子加速。該過(guò)程中，如何實(shí)現穩定的激光加速本身就是一項極具挑戰性的課題，近幾年國際上各大強光實(shí)驗室均開(kāi)展了相關(guān)的研究。產(chǎn)生微米（頭發(fā)絲直徑的八十分之一）大小高能電子束的同時(shí)，要將另一束激光精密聚焦到與電子束同樣大小，并在微米空間、飛秒時(shí)間尺度內，實(shí)現電子束與激光束的精確對頭碰撞。由于電子和光子都以光速運動(dòng)，因此如何在實(shí)驗上實(shí)現如此精密對撞，是該領(lǐng)域一直存在的挑戰。盡管目前世界上已有幾十臺拍瓦量級的超強激光，但在如此超高強度下實(shí)現如此精密的實(shí)驗，尚屬首次。研究人員通過(guò)在上海交通大學(xué)高性能計算中心的超級計算機π上的數值模擬，將該實(shí)驗結果在計算機模擬中得到了很好的再現。

該項目負責人內布拉斯加大學(xué)林肯分校Leland and Dorothy Olson講席教授Donald Umstadter

左圖：論文第一作者閆文超博士；右圖：上海交通大學(xué)特別研究員陳民（右）、博士生羅輯（左）

多光子湯姆遜散射具有非常高的應用價(jià)值。該論文的第一作者，前中科院物理所光物理實(shí)驗室博士畢業(yè)生，現美國內布拉斯加大學(xué)博士后，該項目的實(shí)驗負責人閆文超博士表示：“我們的這項技術(shù)可以用來(lái)產(chǎn)生極高亮度的X-伽馬射線(xiàn)光源，亮度可以與第三代同步輻射光源相比擬，但是裝置體積卻只有幾十甚至上百分之一，有望在未來(lái)補充同步輻射光源，為醫療成像、材料研究、生物大分子研究，三維度量學(xué)提供更為廉價(jià)的光源，解決現有同步輻射光源數量少、排期難、費用高的問(wèn)題。同時(shí)，高能伽馬射線(xiàn)可以穿透極厚的鋼板，有望對海關(guān)檢驗毒品武器走私等給予極大的幫助。由于我們的裝置可以做到很小，未來(lái)有可能集成到小型集裝箱貨車(chē)中，進(jìn)一步增加輻射光源使用的靈活性?！?

車(chē)載多光子湯姆遜散射伽馬射線(xiàn)光源有望使用于海關(guān)檢驗等環(huán)境。（圖片來(lái)源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）

利用超強激光與電子相互作用產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn), 科學(xué)家成功拍攝Wi-Fi接受器的內部結構。通常的x射線(xiàn)并不能夠穿透金屬進(jìn)行如此清晰高分辨的成像。（圖片來(lái)源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）

多光子湯姆遜散射的整個(gè)物理過(guò)程也具有極高的基礎科學(xué)研究?jì)r(jià)值。由于此物理過(guò)程中，多個(gè)光子參與一個(gè)相互作用事件，與此前單光子湯姆遜散射呈現出了完全不同的定標規律。本論文的通訊作者、極端強光實(shí)驗室主任，Donald Umstadter教授說(shuō)：“在超強對撞激光條件下，電子會(huì )進(jìn)行極端非線(xiàn)性運動(dòng)，同時(shí)光子密度很高，因此單電子會(huì )與幾百個(gè)光子相互作用，這些光子被同時(shí)相干耦合在一起，形成一個(gè)超高能的光子。實(shí)際上，理論顯示我們實(shí)驗中可能已經(jīng)實(shí)現了高達1300個(gè)光子的同時(shí)被散射。多光子湯姆遜散射理論已經(jīng)存在幾十年之久，但從未被實(shí)驗徹底驗證，這是實(shí)驗室首次實(shí)現如此多光子共同參與的湯姆遜散射，并完整地驗證了該理論，對電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展意義重大?！绷硗?，超強激光在聚焦處的峰值強度都是在低能激光脈沖條件下進(jìn)行各種參數測量后估算的，目前沒(méi)有任何的直接測量方式。由于本實(shí)驗中的相互作用過(guò)程產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)具有獨特的空間分布，并且該分布與對撞激光的強度直接相關(guān)，因此根據該實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)的性質(zhì)可以精確地標定超強激光的峰值強度，這也是目前唯一直接測量超強激光峰值強度的方法。

激光強度的變化引起電子運動(dòng)軌跡發(fā)生變化，輻射的伽馬射線(xiàn)空間分布發(fā)生變化。在激光最強的時(shí)候，超過(guò)500個(gè)光子同時(shí)被單個(gè)電子散射。（圖片來(lái)源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）

研究人員表示，未來(lái)將進(jìn)一步升級激光，對多光子散射理論進(jìn)行更深入的研究，并展開(kāi)初步的量子電動(dòng)力學(xué)的研究。此外還將優(yōu)化伽馬射線(xiàn)光源的品質(zhì)，希望盡快實(shí)現其廣泛的應用價(jià)值。